硫掺杂石墨烯的制备及其在燃料电池中的应用

摘要

石墨烯作为一种新型的碳材料,因其独特的二维平面结构、巨大的比表面积以及优良的导电性能使其在燃料电池等领域表现出良好的应用前景。理论计算和大量实验证明对石墨烯进行掺杂修饰,可以有效的调节其电子性能和化学活性。本论文首先采用氧化石墨还原法制备得到石墨烯,然后在石墨烯晶格中引进硫原子进行掺杂改性,最后将硫掺杂石墨烯和未掺杂的石墨烯材料直接作为非Pt催化剂研究了其电催化氧还原性能,以及用作Pt催化剂载体制备石墨烯载Pt催化剂,并研究了它们对甲醇氧化的电催化性能。主要研究工作如下:
　　(1)采用氧化石墨还原法制备石墨烯。首先以鳞片石墨为原料,采用改进Hummers法制备氧化石墨,然后通过高温热还原法还原氧化石墨制备得到粉末状的单层石墨烯(Graphene)。利用SEM、EDX、AFM、XRD、UV-vis、FT-IR、Raman和TGA手段表征所得样品的形貌、结构及热稳定性。测试结果表明我们成功制备了单层石墨烯材料。
　　(2)以噻吩为前驱体,采用原位聚合法制备聚噻吩和石墨烯复合物并将其高温热处理得到硫掺杂的石墨烯(S-Graphene),利用SEM、AFM、EDX、XRD、Raman、XPS等手段表征其形貌和结构特征,这些测试结果表明我们成功地制备得到硫掺杂的石墨烯。然后通过循环伏安法、旋转圆盘电极(RDE)和线性扫描伏安(LSV)法研究了S-Graphene及Graphene在碱性条件下电催化氧还原的性能,电化学测试结果表明S-Graphene较Graphene具有更高的电催化氧还原性能以及很好的抗甲醇性能。并且S-Graphene取代商业Pt/C催化剂应用于燃料电池阴极有很大潜能。
　　(3)以氯铂酸为金属Pt前驱体,采用NaBH4作为还原剂,将Pt纳米颗粒分别负载于前面所制备的硫掺杂石墨烯和未掺杂石墨烯材料(S-Graphene和Graphene)及商业的VulcanXC-72碳黑(C)上,制备了Pt/S-Graphene、Pt/Graphene和Pt/C催化剂。然后利用XRD和TEM表征了所制备的催化剂的结构和形貌,测试结果表明我们成功的将Pt负载在了三种催化剂载体上,其中硫掺杂的石墨烯(S-Graphene)更有利于Pt纳米颗粒的均匀分散及得到更小的粒径。最后通过循环伏安法和计时电流法研究了所制备催化剂的电化学活性表面积(ECSA)、电催化甲醇氧化的活性及稳定性,电化学测试结果表明Pt/S-Graphene和Pt/Graphene催化剂较Pt/C催化剂电化学活性表面积更大,对甲醇氧化电催化活性及稳定性更高,而且,相比于Pt/Graphene催化剂,Pt/S-Graphene具有更大的电化学表面积和对甲醇氧化更高的电催化活性及稳定性。因此,所制备的硫掺杂石墨烯相对于未掺杂的石墨烯和商业碳黑更适合作为直接甲醇燃料电池阳极催化剂的载体。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 石墨烯的基本结构和性能

1.3 石墨烯的制备方法

1.4 石墨烯掺杂

1.5 石墨烯的应用

1.6 本论文的研究意义及主要研究内容

参考文献

第二章 石墨烯的制备与表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 结论

参考文献

第三章 硫掺杂石墨烯的制备及其作为非Pt催化剂的氧还原性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 结论

参考文献

第四章 硫掺杂石墨烯载Pt催化剂的制备及其对甲醇氧化催化性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 结论

参考文献

第五章 结论及工作展望

5.1 结论

5.2 本论文创新之处

5.3 工作展望

硕士期间的研究成果

致谢